Fa només un any, Peter Higgs i François Engler van rebre el Premi Nobel pel seu treball sobre partícules subatòmiques. Pot semblar ridícul, però els científics van fer els seus descobriments fa mig segle, però fins ara no se'ls ha donat gran importància.
El 1964, dos físics més talentosos també van presentar la seva teoria innovadora. Al principi, tampoc va cridar gairebé cap atenció. Això és estrany, ja que va descriure l'estructura dels hadrons, sense els quals no és possible una interacció interatòmica forta. Era la teoria dels quarks.
Què és això?
Per cert, què és un quark? Aquest és un dels components més importants de l'hadron. Important! Aquesta partícula té un "meitat" espín, de fet és un fermió. Depenent del color (més informació a continuació), la càrrega d'un quark pot ser igual a un terç o dos terços de la d'un protó. Pel que fa als colors, n'hi ha sis (generacions de quarks). Es necessiten perquè no es vulneri el principi de Pauli.
Bàsicdetalls
En la composició dels hadrons, aquestes partícules es troben a una distància que no supera el valor de confinament. Això s'explica simplement: intercanvien vectors del camp gauge, és a dir, gluons. Per què és tan important el quark? El plasma de gluó (saturat de quarks) és l'estat de la matèria en què es trobava tot l'univers immediatament després del big bang. En conseqüència, l'existència de quarks i gluons és una confirmació directa que realment ho era.
També tenen el seu propi color, i per això, durant el moviment, creen les seves còpies virtuals. En conseqüència, a mesura que augmenta la distància entre quarks, la força d'interacció entre ells augmenta significativament. Com podeu suposar, a una distància mínima, la interacció pràcticament desapareix (llibertat asimptòtica).
Així, qualsevol interacció forta en hadrons s'explica per la transició de gluons entre quarks. Si parlem d'interaccions entre hadrons, llavors s'expliquen per la transferència de la ressonància pi-mesó. En poques paraules, indirectament, tot es redueix de nou a l'intercanvi de gluons.
Quants quarks hi ha en nucleons?
Cada neutró consta d'un parell de quarks d, i fins i tot d'un sol quark u. Cada protó, per contra, està format per un únic d-quark i un parell de u-quarks. Per cert, les lletres s'assignen en funció dels nombres quàntics.
Anem a explicar. Per exemple, la desintegració beta s'explica precisament per la transformació d'un del mateix tipus de quarks en la composició del nucleó en un altre. Per fer-ho més clar, aquest procés es pot escriure com una fórmula com aquesta: d=u + w (és la desintegració dels neutrons). Respectivament,protó s'escriu amb una fórmula lleugerament diferent: u=d + w.
Per cert, és aquest darrer procés el que explica el flux constant de neutrins i positrons dels grans cúmuls estel·lars. Així doncs, a l'escala de l'univers, hi ha poques partícules tan importants com el quark: el plasma de gluons, com ja hem dit, confirma el fet del big bang, i els estudis d'aquestes partícules permeten als científics comprendre millor l'essència mateixa de el món en què vivim.
Què és més petit que un quark?
Per cert, en què consisteixen els quarks? Les seves partícules constitutives són preons. Aquestes partícules són molt petites i poc enteses, de manera que encara avui no se'n sap gaire. Això és el que és més petit que un quark.
D'on provenen?
Fins ara, les dues hipòtesis més comunes de la formació de preons: la teoria de cordes i la teoria de Bilson-Thompson. En el primer cas, l'aparició d'aquestes partícules s'explica per oscil·lacions de corda. La segona hipòtesi suggereix que la seva aparició és causada per un estat excitat de l'espai i el temps.
Curiosament, en el segon cas, el fenomen es pot descriure completament utilitzant la matriu de transferència paral·lela al llarg de les corbes de la xarxa de spin. Les propietats d'aquesta mateixa matriu predeterminan les del preó. D'això estan fets els quarks.
Resumint alguns resultats, podem dir que els quarks són una mena de "quanta" en la composició dels hadrons. Impressionat? I ara parlarem de com es va descobrir el quark en general. Aquesta és una història molt interessant que, a més, revela completament alguns dels matisos descrits anteriorment.
Partícules estranyes
Immediatament després del final de la Segona Guerra Mundial, els científics van començar a explorar activament el món de les partícules subatòmiques, que fins aleshores semblava primitivament simple (segons aquestes idees). Els protons, els neutrons (nucleons) i els electrons formen un àtom. L'any 1947 es van descobrir pions (i la seva existència es va predir el 1935), que eren els responsables de l'atracció mútua de nucleons al nucli dels àtoms. A aquest esdeveniment es va dedicar més d'una exposició científica alhora. Els quarks encara no s'havien descobert, però el moment de l'atac al seu "rastre" s'estava apropant.
Els neutrins encara no s'havien descobert en aquell moment. Però la seva importància aparent per explicar la desintegració beta dels àtoms era tan gran que els científics tenien pocs dubtes de la seva existència. A més, ja s'han detectat o predit algunes antipartícules. L'únic que no quedava clar va ser la situació dels muons, que es van formar durant la desintegració dels pions i posteriorment van passar a l'estat de neutrins, electró o positró. Els físics no entenien per a què servia aquesta estació intermèdia.
Ai, un model tan senzill i sense pretensions no va sobreviure durant molt de temps al moment del descobriment de les peònies. El 1947, dos físics anglesos, George Rochester i Clifford Butler, van publicar un interessant article a la revista científica Nature. El material per a això va ser el seu estudi dels raigs còsmics mitjançant una cambra de núvols, durant el qual van obtenir informació curiosa. En una de les fotografies fetes durant l'observació es veia clarament un parell de pistes amb un inici comú. Com que la discrepància s'assemblava a la V llatina, de seguida es va fer evident– la càrrega d'aquestes partícules és definitivament diferent.
Els científics van suposar immediatament que aquestes pistes indicaven el fet de la descomposició d'alguna partícula desconeguda, que no deixava cap altre rastre. Els càlculs han demostrat que la seva massa és d'uns 500 MeV, que és molt més gran que aquest valor per a un electró. Per descomptat, els investigadors van anomenar el seu descobriment partícula V. Tanmateix, encara no era un quark. Aquesta partícula encara estava esperant a les ales.
Acabo de començar
Tot va començar amb aquest descobriment. L'any 1949, en les mateixes condicions, es va descobrir un rastre d'una partícula, que va donar lloc a tres pions alhora. Aviat es va fer evident que ella, així com la partícula V, són representants completament diferents d'una família formada per quatre partícules. Posteriorment, es van anomenar mesons K (kaons).
Un parell de kaons carregats tenen una massa de 494 MeV, i en el cas d'una càrrega neutra - 498 MeV. Per cert, l'any 1947, els científics van tenir la sort de capturar el mateix cas molt rar de la descomposició d'un kaon positiu, però en aquell moment simplement no podien interpretar correctament la imatge. No obstant això, per ser totalment justos, de fet, la primera observació del kaon es va fer el 1943, però la informació sobre això gairebé es va perdre amb el rerefons de nombroses publicacions científiques de la postguerra.
Noves estranyeses
I després més descobriments esperaven als científics. El 1950 i el 1951, investigadors de la Universitat de Manchester i Melnburg van aconseguir trobar partícules molt més pesades que els protons i els neutrons. De nou no tenia càrrega, però es va desintegrar en un protó i un pió. Aquest últim, com es pot entendre,càrrega negativa. La nova partícula es va anomenar Λ (lambda).
Com més temps passava, més preguntes tenien els científics. El problema va ser que les noves partícules van sorgir exclusivament a partir d'interaccions atòmiques fortes, que van decaure ràpidament en els protons i neutrons coneguts. A més, sempre van aparèixer per parelles, mai hi va haver manifestacions individuals. És per això que un grup de físics dels EUA i el Japó va suggerir utilitzar un nou nombre quàntic -estranyesa- en la seva descripció. Segons la seva definició, l'estranyesa de totes les altres partícules conegudes era zero.
Recerca addicional
El gran avenç en la investigació es va produir només després de l'aparició d'una nova sistematització dels hadrons. La figura més destacada d'això va ser l'israelià Yuval Neaman, que va canviar la carrera d'un militar destacat per una trajectòria igualment brillant de científic.
Va notar que els mesons i baryons descoberts en aquell moment es descomponen, formant un cúmul de partícules relacionades, multiplets. Els membres de cadascuna d'aquestes associacions tenen exactament la mateixa estranyesa, però càrregues elèctriques oposades. Com que les interaccions nuclears realment fortes no depenen en absolut de les càrregues elèctriques, en tots els altres aspectes les partícules del multiplet semblen bessons perfectes.
Els científics van suggerir que certa simetria natural és responsable de l'aparició d'aquestes formacions, i aviat van aconseguir trobar-la. Va resultar ser una simple generalització del grup d'espín SU(2), que els científics de tot el món van utilitzar per descriure els nombres quàntics. Aquínomés en aquell moment ja es coneixien 23 hadrons i els seus girs eren iguals a 0, ½ o una unitat entera, i per tant no era possible utilitzar aquesta classificació.
Com a resultat, es van haver d'utilitzar dos nombres quàntics per a la classificació alhora, de manera que la classificació es va ampliar significativament. Així va aparèixer el grup SU(3), que va ser creat a principis de segle pel matemàtic francès Elie Cartan. Per determinar la posició sistemàtica de cada partícula en ella, els científics han desenvolupat un programa d'investigació. Posteriorment, el quark va entrar fàcilment a la sèrie sistemàtica, que va confirmar l'absoluta correcció dels experts.
Nou nombres quàntics
Així que els científics van tenir la idea d'utilitzar nombres quàntics abstractes, que es van convertir en hipercàrrega i gir isotòpic. Tanmateix, l'estranyesa i la càrrega elèctrica es poden prendre amb el mateix èxit. Aquest esquema s'anomenava convencionalment el camí vuitple. Això recull l'analogia amb el budisme, on abans d'arribar al nirvana, també cal passar per vuit nivells. Tanmateix, tot això és lletra.
Neeman i el seu col·lega, Gell-Mann, van publicar el seu treball el 1961, i el nombre de mesons coneguts aleshores no superava els set. Però en el seu treball, els investigadors no van tenir por d'esmentar l' alta probabilitat de l'existència del vuitè mesó. El mateix 1961, la seva teoria es va confirmar brillantment. La partícula trobada es va anomenar eta meson (lletra grega η).
Més troballes i experiments amb la brillantor van confirmar l'absoluta correcció de la classificació SU(3). Aquesta circumstància s'ha tornat poderosaun incentiu per als investigadors que han comprovat que van pel bon camí. Fins i tot el mateix Gell-Mann ja no dubtava que els quarks existeixen a la natura. Les ressenyes sobre la seva teoria no eren massa positives, però el científic estava segur que tenia raó.
Aquí estan els quarks
Aviat es va publicar l'article "Model esquemático de baryons i mesons". En ell, els científics van poder desenvolupar encara més la idea de sistematització, que va resultar ser tan útil. Van trobar que SU(3) permet bastant l'existència de triplets sencers de fermions, la càrrega elèctrica dels quals oscil·la entre 2/3 i 1/3 i -1/3, i en el triplet una partícula sempre té una estranyesa diferent de zero. Gell-Mann, ja conegut per nos altres, els va anomenar "partícules elementals de quark".
Segons els càrrecs, els va designar com u, d i s (de les paraules angleses up, down and strange). D'acord amb el nou esquema, cada barió està format per tres quarks alhora. Els mesons són molt més senzills. Inclouen un quark (aquesta regla és inamovible) i un antiquark. Només després d'això, la comunitat científica va prendre consciència de l'existència d'aquestes partícules, a les quals està dedicat el nostre article.
Una mica més de fons
Aquest article, que va determinar en gran mesura el desenvolupament de la física durant els propers anys, té un rerefons força curiós. Gell-Mann va pensar en l'existència d'aquest tipus de trillissos molt abans de la seva publicació, però no va discutir les seves hipòtesis amb ningú. El fet és que les seves suposicions sobre l'existència de partícules amb càrrega fraccionada semblaven una tonteria. Tanmateix, després de parlar amb l'eminent físic teòric Robert Serber, va saber que el seu col·legava treure exactament les mateixes conclusions.
A més, el científic va treure l'única conclusió correcta: l'existència d'aquestes partícules només és possible si no són fermions lliures, sinó que formen part dels hadrons. De fet, en aquest cas, els seus càrrecs formen un únic tot! Al principi, Gell-Mann els va anomenar quarks i fins i tot els va mencionar a l'MTI, però la reacció d'estudiants i professors va ser molt moderada. És per això que el científic va pensar durant molt de temps sobre si havia de presentar la seva investigació al públic.
La mateixa paraula "quark" (un so que recorda el crit dels ànecs) va ser extreta de l'obra de James Joyce. Curiosament, el científic nord-americà va enviar el seu article a la prestigiosa revista científica europea Physics Letters, ja que temia seriosament que els editors de l'edició americana de Physical Review Letters, similar pel que fa al nivell, no l'acceptarien per a la seva publicació. Per cert, si voleu mirar almenys una còpia d'aquest article, teniu un camí directe al mateix Museu de Berlín. No hi ha quarks a la seva exposició, però hi ha una història completa del seu descobriment (més precisament, proves documentals).
Inici de la revolució dels quarks
Per ser justos, cal assenyalar que gairebé al mateix temps, un científic del CERN, George Zweig, va tenir una idea semblant. Primer, el mateix Gell-Mann va ser el seu mentor, i després Richard Feynman. Zweig també va determinar la realitat de l'existència de fermions que tenien càrregues fraccionades, només els va anomenar as. A més, el talentós físic també considerava els baryons com un trio de quarks i els mesons com una combinació de quarks.i antiquark.
En poques paraules, l'alumne va repetir completament les conclusions del seu professor i completament separat d'ell. La seva obra va aparèixer fins i tot un parell de setmanes abans de la publicació de Mann, però només com una obra "casina" de l'institut. Tanmateix, va ser la presència de dos treballs independents, les conclusions dels quals eren gairebé idèntiques, el que va convèncer immediatament alguns científics de la correcció de la teoria proposada.
Del rebuig a la confiança
Però molts investigadors van acceptar aquesta teoria lluny de ser immediata. Sí, els periodistes i els teòrics se'n van enamorar ràpidament per la seva claredat i senzillesa, però els físics seriosos ho van acceptar només després de 12 anys. No els culpis per ser massa conservadors. El fet és que inicialment la teoria dels quarks contradeia fortament el principi de Pauli, que esmentàvem al principi de l'article. Si suposem que un protó conté un parell de quarks u i un sol quark d, aleshores el primer ha d'estar estrictament en el mateix estat quàntic. Segons Pauli, això és impossible.
Va ser llavors quan va aparèixer un nombre quàntic addicional, expressat com a color (que també hem esmentat més amunt). A més, era completament incomprensible com les partícules elementals dels quarks interactuen entre si en general, per què no es produeixen les seves varietats lliures. Tots aquests secrets van ser molt ajudats a desvelar-se per la Teoria dels Camps de Gauge, que només es va "pensar" a mitjans dels anys 70. Al voltant de la mateixa època, la teoria dels quarks dels hadrons s'hi va incloure orgànicament.
Però sobretot, el desenvolupament de la teoria es va veure frenat per l'absència total d'almenys alguns experiments experimentals,que confirmaria tant l'existència mateixa com la interacció dels quarks entre si i amb altres partícules. I a poc a poc van començar a aparèixer només a partir de finals dels anys 60, quan el ràpid desenvolupament de la tecnologia va permetre dur a terme un experiment amb la "transmissió" de protons per corrents d'electrons. Van ser aquests experiments els que van permetre demostrar que algunes partícules realment "amagades" dins dels protons, que originalment s'anomenaven partons. Posteriorment, tanmateix, estaven convençuts que això no era més que un autèntic quark, però això va passar només a finals de 1972.
Confirmació experimental
Per descomptat, es necessitaven moltes més dades experimentals per convèncer finalment la comunitat científica. El 1964, James Bjorken i Sheldon Glashow (el futur guanyador del Premi Nobel, per cert) van suggerir que també hi podria haver un quart tipus de quark, que van anomenar encantat.
Va ser gràcies a aquesta hipòtesi que ja l'any 1970 els científics van poder explicar moltes de les rareses que es van observar durant la desintegració dels caons de càrrega neutra. Quatre anys més tard, dos grups independents de físics nord-americans van aconseguir arreglar alhora la descomposició del mesó, que només incloïa un quark "encantat", així com el seu antiquark. No en va, aquest esdeveniment va ser batejat immediatament com la Revolució de novembre. Per primera vegada, la teoria dels quarks va rebre una confirmació més o menys "visual".
La importància del descobriment s'evidencia pel fet que els líders del projecte, Samuel Ting i Barton Richter, ja han acabatvan acceptar el seu Premi Nobel durant dos anys: aquest esdeveniment es reflecteix en molts articles. Podeu veure'n alguns a l'original si visiteu el Museu de Ciències Naturals de Nova York. Els quarks, com ja hem dit, són un descobriment extremadament important del nostre temps i, per tant, se'ls presta molta atenció a la comunitat científica.
Argument final
No va ser fins al 1976 que els investigadors van trobar una partícula amb un encant diferent a zero, el mesó D neutre. Aquesta és una combinació força complexa d'un quark encantat i un u-antiquark. Aquí, fins i tot els endurits opositors de l'existència dels quarks es van veure obligats a admetre la correcció de la teoria, afirmada per primera vegada fa més de dues dècades. Un dels físics teòrics més famosos, John Ellis, va anomenar l'encant "la palanca que va fer girar el món".
Aviat la llista de nous descobriments incloïa un parell de quarks especialment massius, superior i inferior, que es podrien correlacionar fàcilment amb la sistematització SU(3) ja acceptada en aquell moment. En els últims anys, els científics han estat parlant de l'existència dels anomenats tetraquarks, que alguns científics ja han batejat com "molècules d'hadron".
Algunes conclusions i conclusions
Heu d'entendre que el descobriment i la justificació científica de l'existència dels quarks es poden considerar una revolució científica. Es pot considerar l'any 1947 (en principi, 1943) com el seu inici, i el seu final recau en el descobriment del primer mesó "encantat". Resulta que la durada de l'últim descobriment d'aquest nivell fins avui és, ni més ni menys, de 29 anys (o fins i tot 32 anys)! I tot aixòEl temps es va gastar no només per trobar el quark! Com a objecte primordial de l'univers, el plasma de gluons aviat va atreure molt més l'atenció dels científics.
No obstant això, com més complexa es torna l'àrea d'estudi, més temps es necessita per fer descobriments realment importants. Pel que fa a les partícules que estem comentant, ningú pot subestimar la importància d'un descobriment així. En estudiar l'estructura dels quarks, una persona serà capaç d'endinsar-se més en els secrets de l'univers. És possible que només després d'un estudi complet d'ells puguem esbrinar com va passar el big bang i segons quines lleis desenvolupa el nostre Univers. En qualsevol cas, va ser el seu descobriment el que va permetre convèncer molts físics que la realitat que ens envolta és molt més complicada que les idees anteriors.
Així que has après què és un quark. Aquesta partícula en un moment va fer molt de soroll al món científic, i avui els investigadors estan plens d'esperança per revelar finalment tots els seus secrets.
